基于公交優(yōu)先的單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)研究

張 鵬，張鵬翔，趙雨旸，吳麗娜

(黑龍江工程學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

目前，城市交通面臨的主要問(wèn)題是交通擁擠，解決這個(gè)問(wèn)題的主要途徑是優(yōu)先發(fā)展公共交通。城市道路資源有限和機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的急劇增長(zhǎng)嚴(yán)重影響了公共交通的發(fā)展，很多城市公共交通出行比例很低，服務(wù)水平不能滿(mǎn)足乘客要求，對(duì)城市交通的便捷作用沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)[1-3]。特別是在城市交通的節(jié)點(diǎn)信號(hào)交叉口處，公交車(chē)輛與社會(huì)行駛車(chē)輛擁有共同的行駛權(quán)，由于沒(méi)有將公交車(chē)輛載客率高的特點(diǎn)考慮進(jìn)去，人員的總延誤很大，造成公交車(chē)的總延誤增加，無(wú)法充分滿(mǎn)足乘客對(duì)服務(wù)舒適度和公交車(chē)準(zhǔn)點(diǎn)效率的要求[4-6]。

1 公交優(yōu)先配時(shí)概述

在對(duì)交叉口的信號(hào)進(jìn)行配時(shí)研究中，主要的設(shè)計(jì)參數(shù)為信號(hào)周期和綠信比。以前進(jìn)行交叉口信號(hào)配時(shí)，是用車(chē)輛的總延誤最小來(lái)確定配時(shí)的周期時(shí)長(zhǎng)，用相位的流量比確定配時(shí)的綠信比。在傳統(tǒng)的配時(shí)方法中，公交車(chē)輛沒(méi)有特權(quán)，和其他車(chē)輛具有相同的作用。顯然，社會(huì)車(chē)輛的單車(chē)載客數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于公交車(chē)的單車(chē)載客數(shù)量，如果某一相位的公交車(chē)輛在交通流量中所占比例較大，此時(shí)仍采用傳統(tǒng)的配時(shí)方法，對(duì)乘坐公交車(chē)的乘客來(lái)說(shuō)就沒(méi)有任何公平性，也沒(méi)有體現(xiàn)出“以人為本”的思想。為此，本文提出一種新的交叉口信號(hào)配時(shí)方法，該方法體現(xiàn)出“公交優(yōu)先”的思想，通過(guò)計(jì)算出最優(yōu)的信號(hào)周期和綠信比，從而減少公交車(chē)輛通過(guò)交叉口的延誤[7-9]。

1.1 公交信號(hào)優(yōu)先的延誤計(jì)算

信號(hào)交叉口車(chē)輛的延誤計(jì)算過(guò)程如下：

第一，分別估算交叉口每個(gè)進(jìn)口道、每條車(chē)道的平均每輛車(chē)的延誤；

第二，計(jì)算每個(gè)進(jìn)口道平均每輛車(chē)的延誤，它是由各車(chē)道延誤的加權(quán)平均值；

第三，計(jì)算整個(gè)交叉口平均每輛車(chē)的延誤，它是各進(jìn)口道延誤的加權(quán)平均值。

各車(chē)道延誤可用下式表達(dá)

d=d1+d2+d3.

(1)

式中：d為每條車(chē)道每輛車(chē)的平均延誤，s/pcu；d1為均勻延誤,s/pcu；d2為隨機(jī)附加延誤,s/pcu；d3為初始排隊(duì)附加延誤,s/pcu。

對(duì)現(xiàn)有的交叉口做延誤評(píng)估時(shí)，應(yīng)考慮初始排隊(duì)延誤，計(jì)算公式為

(2)

式中：ds飽和延誤；du不飽和延誤；tu在T中積余車(chē)輛的持續(xù)時(shí)間,h；Qb為分析期初始積余車(chē)輛，輛；fa為綠燈期車(chē)流到達(dá)率校正系數(shù)；P為綠燈期到達(dá)車(chē)輛占整周期的到達(dá)量之比。

ds=0.5C(1-λ).

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：C為周期時(shí)長(zhǎng),s；λ為所計(jì)算車(chē)道的綠信比；x為所計(jì)算車(chē)道的飽和度；CAP為所計(jì)算車(chē)道的通行能力,pcu/h;T為分析時(shí)段的持續(xù)時(shí)長(zhǎng),h，取0.25 h；e為單個(gè)交叉口信號(hào)控制類(lèi)型校正系數(shù)，定時(shí)信號(hào)取e=0.5。

由各進(jìn)口道中各車(chē)道延誤的加權(quán)平均數(shù)得出各進(jìn)口道平均信控延誤，公式為

(7)

式中：dA為進(jìn)口道A的每輛車(chē)平均延誤,s/pcu；di為進(jìn)口道A中第i車(chē)道的每輛車(chē)平均延誤,s/pcu；

qi為進(jìn)口道A中第i車(chē)道的小時(shí)交通量換算為高峰15 min的交通流率(輛/15 min)。

各進(jìn)口道延誤的加權(quán)平均獲得整個(gè)交叉口的平均信控延誤，公式為

(8)

式中：dl為交叉口每輛車(chē)的平均延誤,s/pcu；dA為進(jìn)口道A的平均每輛車(chē)延誤,s/pcu。

用公交優(yōu)先模型優(yōu)化所得信號(hào)配時(shí)時(shí)長(zhǎng),根據(jù)式(1)計(jì)算公交信號(hào)優(yōu)先的延誤。

1.2 周期時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化

由于社會(huì)車(chē)輛的單車(chē)載客量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于公交車(chē)輛每一輛車(chē)的載客量，因此,本文交叉口的信號(hào)周期是由人總延誤最小確定，改變了傳統(tǒng)信號(hào)配時(shí)方法中依據(jù)車(chē)輛總延誤來(lái)計(jì)算信號(hào)周期[12-13]。這種方法將公交車(chē)和社會(huì)車(chē)輛區(qū)別對(duì)待，大大提高了公交車(chē)所占的比重，因此，這種方法是基于 “公交優(yōu)先”通行。

公交優(yōu)先信號(hào)配時(shí)的最長(zhǎng)周期計(jì)算公式為[10-11]

(9)

式中：Cmax為相位允許的最大紅燈時(shí)長(zhǎng)，s；rmax為相位允許的最大紅燈時(shí)長(zhǎng),s；L為交叉口一個(gè)周期總損失時(shí)間,s。

周期時(shí)長(zhǎng)也不能太短，應(yīng)能保證車(chē)輛安全通過(guò)交叉口及行人順利過(guò)街，因此，最短周期時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算公式為

(10)

進(jìn)行公交優(yōu)先的信號(hào)配時(shí)方案設(shè)計(jì)，就是尋找最長(zhǎng)周期和最短周期中使交叉口人總延誤最小周期為信號(hào)的配時(shí)方案。

1.3 綠信比優(yōu)化

過(guò)去的交叉口信號(hào)配時(shí)方法利用流量比來(lái)將綠燈時(shí)間分配到每個(gè)相位中，這種分配方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠滿(mǎn)足每個(gè)進(jìn)口道方向具有相同的飽和度，缺點(diǎn)是不利于公交車(chē)輛出行。

公交優(yōu)先的信號(hào)配時(shí)的目的是降低交叉口的人總延誤，綠信比與乘客流量比、機(jī)動(dòng)車(chē)飽和度兩個(gè)指標(biāo)有關(guān)[14-15]。也就是說(shuō)某相位的乘客流量增加，相應(yīng)的綠信比也隨著增加，而不是隨車(chē)流量的增加而增加。按照上面的方法計(jì)算，對(duì)于客流量比較少的相位來(lái)說(shuō)，可能會(huì)出現(xiàn)這樣一種情況，就是綠燈時(shí)間小于最小綠燈時(shí)間；還有就是當(dāng)某相位的飽和度較大，超過(guò)0.9左右時(shí)，這個(gè)相位到達(dá)交通量非常大將很難被處理。為避免這兩種情況的出現(xiàn)，本文為確定合理的綠信比提出兩個(gè)約束條件，分別是相位飽和度不大于某一給定值(建議取0.9)和相位綠燈時(shí)間不小于最小綠燈時(shí)間，公式為

(11)

式中：yi為相位i的車(chē)輛流量比。

(12)

i相位的最小綠信比為

(13)

通過(guò)式(14)可以判斷是否還有過(guò)剩綠時(shí)間，前提條件是交叉口滿(mǎn)足最小綠信比。

(14)

式中：ΔG為交叉口過(guò)剩的綠燈時(shí)間。

當(dāng)ΔG<0時(shí)，表示現(xiàn)有交通需求較大，交叉口處于擁擠狀態(tài)，沒(méi)有過(guò)剩的綠燈時(shí)間；當(dāng)ΔG=0時(shí)，表示交叉口的交通供給正好滿(mǎn)足交通需求，沒(méi)有過(guò)剩的綠燈時(shí)間。當(dāng)ΔG>0時(shí)，表示現(xiàn)有的交通需求不大，交叉口處于暢通狀態(tài)，且有過(guò)剩的綠燈時(shí)間。

當(dāng)交叉口有過(guò)剩綠燈時(shí)間時(shí)，需要將多余的綠燈時(shí)間分配給每個(gè)相位，分配時(shí)間的多少是按本相位客流量在交叉口總客流量中所占比例大小來(lái)計(jì)算，公式為

(15)

式中：gi為分配給相位的過(guò)剩綠燈時(shí)間,s；Pi為相位的客流量,人/s；Pt為交叉口總的客流量,人/s。

相位的基本綠燈時(shí)間可以定義為用最小綠信比計(jì)算出的相位綠燈時(shí)間，一個(gè)相位總的綠燈時(shí)間等于相位基本綠燈時(shí)間與過(guò)剩綠燈時(shí)間之和，如下

(16)

由于公交車(chē)單車(chē)載客量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于社會(huì)車(chē)輛，上述確定綠信比的方法可使更多的公交車(chē)輛通過(guò)交叉口，是基于公交優(yōu)先通行的一種綠信比分配方法。

2 數(shù)據(jù)調(diào)查與處理

2.1 交通調(diào)查

本文以哈爾濱市紅旗大街-東直路交叉口為研究對(duì)象，該交叉口的信號(hào)配時(shí)方案為四相位，表1為相位配時(shí)表，表2為交通量數(shù)據(jù)。各相位公交車(chē)所占比例如圖1所示。

表1 紅旗大街—東直路交叉口現(xiàn)有信號(hào)配時(shí)表 s

表2 紅旗大街-東直路交叉口進(jìn)口道交通量調(diào)查表

圖1 紅旗大街—東直路交叉口各相位公交車(chē)所占比例

2.2 公交信號(hào)優(yōu)先配時(shí)

根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)，根據(jù)式(9)—式(16)計(jì)算公交信號(hào)優(yōu)先模型優(yōu)化后所得的配時(shí)方案(見(jiàn)表3)。

2.3 延誤分析與比較

根據(jù)延誤的計(jì)算公式，分別代入現(xiàn)有配時(shí)方案、上海綜合算法以及公交信號(hào)優(yōu)先的周期時(shí)長(zhǎng)，得出紅旗大街-東直路交叉口三種配時(shí)方案的延誤(見(jiàn)表4)。

通過(guò)表4可知，公交信號(hào)優(yōu)先的配時(shí)方案，無(wú)論是車(chē)均延誤還是人均延誤都大幅度地降低了，交叉口的服務(wù)等級(jí)提高了，在縮短信號(hào)周期的同時(shí)，也提高了運(yùn)行效率。

表3 紅旗大街—東直路交叉口公交優(yōu)先配時(shí)表 s

表4 三種配時(shí)延誤結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文為滿(mǎn)足公共交通的優(yōu)先通行，提高公交車(chē)的運(yùn)行效率，降低公交車(chē)在交叉口的延誤，以交叉口人的延誤為目標(biāo)建立了公交優(yōu)先控制模型，并利用哈爾濱市-東直路交叉口實(shí)例進(jìn)行研究分析。結(jié)果表明紅旗大街與東直路交叉口現(xiàn)狀車(chē)均延誤為117.6s，人均延誤為40s，上海綜合算法優(yōu)化后的周期為109s，車(chē)均延誤為31.6s人均延誤為11s，公交優(yōu)先模型優(yōu)化后的周期為100s，車(chē)均延誤減小至29.4s，人均延誤減小到10s，服務(wù)水平由F級(jí)優(yōu)化為C級(jí)。由此可見(jiàn)，實(shí)施公交優(yōu)先信號(hào)配時(shí)在降低信號(hào)周期的同時(shí)，車(chē)均延誤和人均延誤都降低了原來(lái)的1/4，對(duì)公交運(yùn)行情況的改善效果明顯，保證了交叉口的整體交通效益。

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